新型熱電發電機模塊：更高效、更穩定、更柔性！

導讀

近日，日本大阪大學領導的研究團隊開發出一種能高效發電、機械穩定性高、便宜的「大面積」柔性熱電發電機（FlexTEG）模塊。

背景

「社會 5.0（Society 5.0）」，是2016年1月日本內閣會議在決定的五年科學技術政策基本指針「第5期科技技術基本規劃」中所使用的新辭彙。其主要意圖是，最大限度應用信息通訊(ICT)技術，通過網路空間與物理空間（現實空間）的融合，使得人人富裕的「超智能社會」作為未來的社會形態進行共享。

下圖所示：2015年12月18日，日本綜合科技創新會議通過了「第五期科學技術基本計劃」的專家論證方案

（圖片來源：日本首相官邸官網）

據稱，通過各種物聯網（IoT）技術，「社會 5.0」描繪的聯網的「超級智能社會」不久的未來將得以實現。

然而，各種物聯網設備的持續穩定運行都離不開電能供應。依賴電池的傳統供電方式，需要頻繁充電且續航能力有限，成為了影響物聯網發展和用戶體驗的關鍵瓶頸之一。

為此，科研人員們開發了眾多的自供電技術，通過採集人體活動及環境中的聲、光、熱、力等各種形式的能量，並將其轉化為電能，為電子器件或者物聯網智能設備提供持續的電力供應。其中一項典型的技術便是熱電發電系統，它將為「社會 5.0」描述的「超級智能社會」作出獨特的貢獻。

熱電發電系統基於溫差電效應，這一效應是指在特殊材料中，由於溫度差異而產生電壓的過程。一般來說，材料一端較熱另一端較冷時，電荷載體會從熱的一端向冷的一端移動，形成電動勢，進而產生電壓。這種材料只需要低於「一攝氏度」的溫差，就能產生檢測得到的電壓。

（圖片來源：維基百科）

熱電發電系統的核心是熱電轉換技術，它直接將熱能轉化為電能，反之亦然。新一代的熱電轉換技術，能根據微小溫度差異，進行能量轉換，有助於能量收集。所謂的能量採集是一種獲取少量能量的過程，否則這些能量將會浪費掉。熱電發電系統，通過有效利用環境中的廢熱，持續不斷發電，從而有效保護全球環境並節約能源。

將熱電發電系統作為下一代物聯網設備能量源的相關研究，已經受到了世界各國科研人員的廣泛關注。同樣，「熱電發電系統」也是筆者重點關注的前沿科技領域之一。該領域的相關研究進展多次被介紹，例如：

1）日本早稻田大學、大阪大學、靜岡大學的研究人員們成功開發出一種新型硅納米線熱電發電機。它具有較高的功率密度，且只需很小的溫差，就足以驅動感測器或者實現間歇的無線通信。

傳統的熱電發電機（左）與新開發的熱電發電機（右）（圖片來源：早稻田大學）

2）日本大阪大學的研究人員與日立公司合作開發出一種新型無毒的熱電材料：硅化鐿 （YbSi₂）。YbSi₂ 不僅無毒，而且具備高導電性、低導熱性，因此可成為一種理想的熱電發電材料。

（圖片來源：參考資料【2】）

3）美國麻省理工學院的物理學家們找出了一條可以顯著提升熱電勢的途徑。簡單說，這種方法就是即在強磁場作用下加熱拓撲半金屬。通過這種方法，材料的效率將提升五倍，產生的能量有望翻倍，是現今最佳的熱電材料。

（圖片來源：Chelsea Turner/MIT）

4）德國海姆霍茲柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 領導的科研團隊研發出一種簡單方法，利用鉛筆和紙張，將熱量轉化為電力。

( 圖片來源：HZB ）

5）日本北海道大學領導的科研團隊通過使擴散電子的運動空間顯著變窄的方法，改善了將廢熱轉化為可用電力的能力。

超晶格的概念圖：其中擴散電子被限制在狹窄的空間中，來改善熱電轉換效率。（圖片來源：北海道大學）

一般來說，熱電轉換是最適合將低溫（150°C 或者更低）條件下的廢熱轉化為電能的技術之一，這種技術將採用熱電發電機（TEG） 模塊開發發電系統。然而，因為可工作在100-150°C溫度範圍的熱電發電機模塊的封裝技術尚未成熟，適用於這一溫度範圍的熱電發電技術還無法實際應用。此外，室溫條件下，發電模塊的生產成本很高，使得這項技術的應用局限在特定領域中，例如太空應用。

創新

為了解決上述問題，開發更好的熱電發電機模塊。近日，日本大阪大學領導的研究團隊開發出一種發電效率高、機械穩定性高、便宜的「大面積」柔性熱電發電機（FlexTEG）模塊。通過模塊兩側頂部電極的方向變化，以及高密度封裝的半導體晶元，FlexTEG 模塊在任意單軸方向上更具柔性。

下圖所示：FlexTEG 模塊的圖片與方案設計，碲化鉍(Bi-Te)半導體晶元的圖片，以及在不同溫度梯度下，FlexTEG 模塊的電壓和功率隨著電流變化的圖片。

（圖片來源：大阪大學）

團隊的研究成果發表在《先進材料技術（Advanced Materials Technologies）》期刊上。

技術

研究人員們通過在柔性基底上安裝小型熱電（TE）半導體晶元，實現了晶元與柔性基底之間可靠且穩定的電氣接觸，從而高效地重新利用廢熱（熱電轉換）。在傳統的非柔性熱電轉換模塊中，兩側的頂部電極安裝時與其他頂部電極保持垂直，因此模塊的彎曲程度有限。然而，在 FlexTEG 模塊中，所有的頂部電極平行安裝，當模塊朝著任何單軸方向彎曲時，能為其提供柔性。這樣減少了晶元上的機械應力，提升了FlexTEG 模塊的機械（物理）可靠性 。

（圖片來源：大阪大學）

價值

這項研究提升了來自曲面熱源的廢熱的熱電轉換效率，改善了模塊的機械穩定性，因為施加到模塊中的半導體晶元上的機械應力變得更小。

論文領導作者 Tohru Sugahara 表示：「因為所有半導體封裝材料的熱阻（約達150°C）以及模塊的機械柔性，我們的 FlexTEG 模塊將被用作 150°C 或者更低的溫度下廢熱的轉換熱電發電機模塊。它的安裝技術是基於傳統的半導體封裝技術，所以預先考慮到了熱電轉換模塊的量產與成本降低。」

關鍵字

計算機、晶元、安全、通信

參考資料

【1】https://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2018/20181214_1

【2】http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201700372

【3】Tohru Sugahara, Yusufu Ekubaru, Ngo Van Nong, Noriko Kagami, Keiichi Ohata, Le Thanh Hung, Michio Okajima, Shutaro Nambu, Katsuaki Suganuma. Fabrication with Semiconductor Packaging Technologies and Characterization of a Large‐Scale Flexible Thermoelectric Module. Advanced Materials Technologies, 2018; 1800556 DOI: 10.1002/admt.201800556

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